ロボット溶接マスター：品質・効率・コスト削減の包括的ガイド

製造業界では、企業はコストを低く抑えながら品質と生産性の向上を常に目指しています。こうした改善のため、製造企業はしばしば技術に目を向け、特に溶接の場合にそれが顕著です。

溶接は最も基本的な形では、熱と圧力の適用により2つの材料を接合するプロセスです。溶接と聞くと、多くの人は保護マスクと厚手グローブでトーチを扱う姿を想像します。手動溶接は依然として業界でその地位を占めていますが、プロフェッショナル溶接士の不足が大きなギャップを生んでいます。米国溶接協会は2020年までに290,000人の溶接専門家不足になると推定。ますます多くの企業がロボット溶接設備への投資を進めています。

ロボット溶接装置の導入には、多大な検討、計画、時間と資金の相当な投資が必要です。しかし、ロボット溶接を手順に導入した企業は、数多くの長期的メリットを発見しています。

貴社が部品製造プロセスの一部としてロボット溶接の使用を検討している場合、プロセス、歴史、メリットについて知っておくべき完全なガイドをご紹介します。

ロボット溶接とは

ロボット溶接は、自動溶接とも呼ばれ、メカニズム化されたプログラム可能ツールを使用して部品を溶接・ハンドリングする自動プロセスです。ロボティクスのこの比較的新しい応用は、溶接専門家の増大する不足が残したギャップを埋め、北米業界の溶接ジョブの大部分を効果的に引き継いでいます。

ロボット溶接はどれくらいの歴史があるか？

ロボット溶接の歴史は、産業用ロボット全般の歴史に深く根ざしており、20世紀半ばまで遡ります。

最初のプログラム可能ロボットは1954年、ジョージ・デボルによって発明され、デボルは間もなく世界初のロボット会社Unimationを設立。この新会社で、デボルとその仲間たちは最初の産業用ロボットを作成。Unimateと呼ばれるモデルは、ニュージャージー州のゼネラルモーターズ自動車工場で使用され、スポット溶接とダイカスト取り出しを実行。この肯定的な導入後、産業用ロボットの概念は10年以内に世界中へ広がりました。

この初期モデルから、産業用ロボットは改善を継続。1978年、ゼネラルモーターズ出資のUnimationが、Programmable Universal Machine for Assembly（略称PUMA）を作成。多くの研究室で今日もこのバージョンが使用されています。

業界は成長を続け、80年代初頭にブーム。これらの年間で、産業用ロボット業界は急速に成長し、毎月新しいロボットや会社が市場に参入し、競争と革新が大幅に増大。この十年でロボットアームはより多くの可動性と制御を持つよう改良されました。

90年代を通じてプロセスは改善し続け、電子制御が複数ロボットの同時制御・調整を可能にするレベルまで向上。オペレーターインターフェースも改善され、ロボット設計はメンテナンス・修理アクセス向上のためシンプル化・合理化されました。

技術的進歩は今日まで産業用ロボットの機能性を改善し続けており、設備と研究コストによってのみ制限されています。

溶接ロボットはどう動作するか？

ロボット溶接ユニット（ロボット溶接セルとも呼ばれる）は、ピースを溶接するために連携して動作するいくつかのコンポーネントで構成されます。これらのコンポーネントには、溶接に積極的に関与するものと、セルの円滑な運用を保証するアクセサリー・安全機能が含まれます。

ロボット溶接セルの最も基本的なコンポーネントをご紹介します。これらは全てロボット溶接プロセスに重要です：

• ワイヤーフィーダー： プログラムされた速度でフィラーワイヤーをロボットに送り込みます。このフィラーワイヤーは、継手をサポートするために溶接に材料を追加するのによく使用されます。
• 溶接ロボット： ロボットとアーム先端のツール（通常トーチまたは他のマニピュレーター）を含みます。これらのロボットは2タイプ：関節型ロボットと直交型ロボット。直交型ロボットは主アームを3方向に動かし、アーム先端のリストを回転可能。関節型ロボットは回転関節を持ち、3次元外の自由度と可動域を実現。
• ワイヤークリーナー： 作業サイクル間でトーチからスパッタを除去し、設備寿命を延ばします。
• トーチ： 電極に流れる電力で加熱し、金属を接合。アーク溶接ユニットにはトーチにアークシールド装置も含まれます。また、空冷または水冷ユニットが通常含まれます。
• 作業エリア： パーツが配置・保持され、ロボットが溶接する場所。治具がパーツを固定し、ロボットが溶接を完了。
• コントローラー： このコンポーネントは溶接セルの「脳」として効果的に機能し、格納プログラムを使用してロボットに電力と指示を供給。
• ティーチペンダント： この手持ちインターフェースシステムで、オペレーターが溶接パラメータ設定、ロボット手動移動、新プログラム入力が可能。
• 溶接電源： 溶接トーチに電力を供給。溶接される部品の要件によりサイズと性能が異なる。アーク溶接ユニットかスポット溶接ユニットかにより電源はわずかに異なる。
• スタックライト： セルが任意の時点で何をしているかを表示。一般的に赤は緊急停止、橙はプログラミング中、緑は自動運転中を示します。
• 操作ボックス： セルの開始・停止制御と、再起動ボタンを含む各機能ボタンを格納。故障解決後のセルリセットに使用。
• 安全機能： ほとんどのロボット溶接機には、作業者とオペレーターへの危害防止のための安全機能が含まれます。フェンシング、アークシールド、アクセスドア、有害光・ヒューム・動作への作業者曝露を減らすその他機能など。

プログラムはティーチペンダントから入力されコントローラーに保存され、ロボットに何をするか指示します。これらのプログラムは溶接ロボットを動かし、アーム先端のトーチを操作し、任意の時点で必要な場所に正確に配置。トーチが加熱し、電源を使用して金属に十分な熱を発生させ、部品を永久的に融合。ワイヤーフィーダーがロボットアームに追加材料を供給。部品間で、アームがトーチをワイヤークリーナーに移動し、スパッタを除去。

ロボット溶接プロセスとは？

ロボット溶接セルのワークフローは、一連の厳密に監視されたステップで構成されます。これらのステップは：

1. パーツを治具にセットし、確実にクランプ固定。

2. コントローラーから適切なプログラムを選択。または、適切なプログラムが利用できない場合、ティーチペンダントでコントローラーをプログラミング。

3. コントローラーの開始ボタンを押して作業開始。

4. 最初のパーツが加工される間、2番目のパーツを適切なローディングステーションに移動。

5. 最初のワークステーションで溶接開始と同時に、2番目のワークステーションのセットアップを開始。

6. 溶接完了で、2番目のステーションで作業開始。

7. ステーション1から完成部品を回収し、次のサイクルのためにワークステーションをリロード。

特定機能と複雑さは使用する特定ロボット溶接セルにより異なりますが、ほとんどの場合この一般的手順に従います。

溶接業界でロボットはどう使われているか？

ロボット溶接は産業用ロボットアプリケーションの29%を占め、ロボットマテリアルハンドリングに次いで2位。自動溶接は製造業とエンジニアリング業界で最も一般的に使用され、企業と研究室の効率向上に貢献。

最も一般的に、大量製品の抵抗スポット溶接とアーク溶接に使用されます。これら2プロセスを詳細に説明：

抵抗スポット溶接

ロボット抵抗溶接は、2枚の板金を単一点（スポット）で接合する経済的な方法。自動車製造業界でよく見られ、板金を車体形状に溶接するために使用。自動車業界の多くのスポット溶接機はロボット化されており、車組立ラインで稼働しているのが見られます。

スポット溶接プロセスは、溶接される部品に2つの銅合金電極を当て、電流を材料に通すことで機能。電流が金属を加熱し溶融させ、当てたスポットにプールを形成。冷却時に部品が融合します。

ロボット溶接機は、極めて高い精度と効率で複数のスポット溶接を配置できるため、この用途に最適です。

アーク溶接

ロボットアーク溶接は最近になって業界として成長しましたが、スポット溶接に迫る人気のロボット溶接手法になりつつあります。プロセスは電源を使用し、トーチ搭載電極と金属の間に電気アークを生成。このアークはトーチ先端で約6,500華氏度の温度を生成。金属を加熱し、トーチ下に溶融金属プールを生成、冷却時に固化。冷却時に部品が永久的に融合します。

生成される極めて高温と化学反応により、このプロセスに関与する金属は周囲の空気中の酸素と窒素と化学反応することが多々あります。これは溶接継手の完全性を損なう可能性があります。このため、多くのアーク溶接プロセスにはアークシールドと呼ばれるプロセスが含まれます。このプロセスは、ガスまたは蒸気の保護シールドでアークと溶融金属を覆い、溶融金属と周囲空気の接触を最小化します。

アーク溶接に伴う極端な熱と化学反応は、ロボティクスに最適な用途であり、作業者とオペレーターのこれらリスクへの曝露を削減します。

ロボット溶接のメリットは？

ロボット溶接セットアップの導入には、多大な時間と資金の投資が必要。しかし、システムのメリットは従来溶接のメリットをはるかに上回り、システムコストは生産性向上、品質改善、廃棄物削減で迅速に回収されます。

米国全土の溶接チームがロボット溶接から恩恵を受ける理由は以下の通り：

生産性向上

ロボット溶接システムは仕事を迅速かつ効率的にこなし、人間より少ないミスで生産速度を大幅に向上。また、ロボットは人間のように睡眠・休憩・休暇を必要とせず24/7稼働可能。人間オペレーターのアークオンタイムは通常50%未満、疲労が後で溜まるとオンタイム率は低下。一方ロボットは75-80%のアークオンタイム。長い継ぎ目の部品では95%に増加。

品質と一貫性の向上

自動システムは極めて高い精度で一貫した溶接部を創出し、全く同じ品質の溶接を同じ場所に繰り返し、疲労することなく配置。これらのシステムの精度はスパッタも削減し、より整った継ぎ目を実現。ミスと欠陥を完全に排除するものではないが、故障・破損設備や誤ったプログラミングが製品欠陥を生む可能性あり。幸い、両問題は認定ロボット溶接技術者で予防可能。

エネルギー節約

自動溶接システムは一貫稼働により、エネルギーを大量消費する起動を削減しエネルギーを節約。また、ロボットはオーバー溶接せず、修正溶接の必要性を減らし、エネルギー支出を削減。

スクラップ削減

最も熟練した溶接士でも人的エラーは常に可能性あり。しかし、溶接ロボットのあらゆる動きは計画的かつ自動化されており、ミスを削減し、従ってスクラップ部品数を削減。より高価値ジョブでは、予算維持の重要な要因となり得ます。

廃棄物削減

消耗品はもう一つの廃棄物源。消耗品にはノズルなど、比較的短寿命で一定使用回数後に交換されるコンポーネントが含まれます。ロボット溶接ユニットは溶接速度向上と余分なエネルギー使用最小化により、各消耗品コンポーネントの寿命を延ばします。これにより新しい消耗品購入頻度が減り、コスト削減につながります。

投資収益率

ほとんどの企業は、大規模プロジェクトでは、金属加工会社と協力する際、ロボット溶接の効率性・精度・コスト削減が初期セットアップコストを十分に補う以上のものになると気づくでしょう。

より高速、より高品質溶接、スクラップ削減の組み合わせがこの迅速なROIに貢献。エネルギーコスト削減とオーバー溶接最小化を考慮すると、ROIはさらに増大。ロボット溶接プロセスへの切り替えで、企業は全体コストを大幅に節約可能。

おおよそのROIを計算するには、現在の部品サイクルタイムを評価し、ロボット溶接セットアップの潜在的サイクルタイムと比較。廃棄物、労働、エネルギーのその他節約も見積もりに組み込み、より正確な数値を得られます。

高品質ロボット溶接セットアップを持つ受託メーカーをどう選ぶか？

優れた受託メーカーは、高度に訓練された専門家への投資だけでなく、MIGガンと消耗品を監視し、機械に適切な周辺機器を求めることで、最高品質と価値を提供するロボット溶接セットアップに投資します：

MIGガン

MIGガンは、ロボット溶接セットアップで使用される特定モデルに適合するよう慎重に選択必要。企業は、用途に適した適切なアンペア数と冷却能力を持つMIGガンを選択すべき。不十分なアンペア数や冷却は機械故障の原因となり、必要以上のアンペア能力を持つガン購入は無駄金。ロボットMIGガンの価格は提供するアンペア数に比例します。

消耗品

コンタクトチップ、ノズル、リテイニングヘッド、ライナーなどの消耗品も慎重に選択・管理すべき。異なるノズルとコンタクトチップを用途別に選択。標準消耗品は低アンペア用途や短アークタイム用途に、ヘビーデューティー消耗品（標準版より高価）は高アンペア・高アークタイム用途に使用し、交換ダウンタイムを削減。

周辺機器

周辺機器とは、ロボット溶接システムに統合できる追加機器のこと。適切な種類の周辺機器を使用すると、セットアップ性能を最大化可能。周辺機器には初期コストがかかるが、セットアップ性能向上、消耗品寿命延長、溶接欠陥発生確率低減により、ロボット溶接投資のリターンを増やせます。

潜在的に有用な周辺機器には：

• ノズルクリーニングステーション： リーマーまたはスパッタクリーナーとも呼ばれる。溶接作業中の定期パスでノズルの汚れ・ゴミ・スパッタを清掃。カバレッジロスによる欠陥と溶接やり直しを防止。消耗品寿命も延ばし、交換頻度を削減。
• アンチスパッタスプレイヤー： 消耗品にアンチスパッタ化合物を添加し保護バリアとして作用させ、消耗品寿命を延長。ノズルクリーニングステーション同様、カバレッジロス防止と消耗品交換頻度削減に寄与。
• ワイヤーカッター： アーク溶接ロボットでは、アーク開始時にワイヤーが突出している必要あり。ワイヤーカッターが溶接ワイヤーを指定長にカットし、ワイヤー長と品質の不整合を除去。より信頼性の高いアーク開始と一貫した溶接を実現。
• アームマウント： 特定セットアップでは衝突リスクを考慮必要。衝突検知ソフトウェア搭載ロボットでは、ロボットが衝突検知しシャットダウンする際、機器を固定保護するため堅牢なアームマウントが必要。
• クラッチ： 衝突検知なしロボットでは、機器を衝突から保護するためクラッチが必要。クラッチは衝突の物理的衝撃を認識し、ロボットコントローラーに電気信号を送りシステム停止させ、更なる損傷を防止。

これら全ての周辺機器が、ロボット溶接設備の保護と生産性向上を支援します。

誰がロボット溶接ユニットを操作すべきか？

ロボット溶接には、訓練されたオペレーターによる継続的な監督とメンテナンスが必要。企業の現在の人材プールにロボット溶接経験者がいない場合、認定ロボット溶接ユニットオペレーターを擁する金属加工会社を雇うのが企業の最善の利益となります。

訓練された技術者は、システムの定期予防メンテナンスをスケジュール・実行することで、プロジェクトの稼働時間を最大化。不要なダウンタイムを最小化し、システムがスムーズに稼働することを保証。これら全てのメリットが貴社プロジェクトに還元されます。

認定ロボット溶接技術者を持つ受託メーカーを雇う方が、よりコスト効率的な方法かもしれません。米国内で特にロボット溶接を専門とし、ロボット溶接セルを操作して貴社製品に最良の結果を生み出す方法を熟知した、高度に訓練されたプロフェッショナルスタッフを持つ会社は非常に少ないです。Fairlawn Tool, Inc.はそのような会社の一つで、AWS認定溶接チームによる品質ロボット溶接サービスを顧客に提供しています。

Fairlawn Tool, Inc.では、ロボット溶接を生産プロセスの不可欠な部分と見なし、顧客の総合コスト削減を支援し、最高品質製品を最低コストで提供しています。また、少量ランと高度カスタム商用オーダーに適した手動溶接サービスも誇りを持って提供。ほとんどの場合、手動溶接とロボット溶接を組み合わせて両アプローチの長所を得られます。製造プロジェクトの規模に関わらず一貫した品質を誇り、各ユニットが期待を超えることを保証します。

Fairlawn Toolは、メリーランド州工場拠点からプロセスのあらゆる部分を社内で処理する、全金属加工ニーズのフルサービス受託メーカーです。これにより最高レベルの品質を競争力ある価格で確保。どんな質問にも喜んでお答えし、貴社に最適なアプローチをご相談します。

今すぐお問い合わせいただき、今後の金属加工プロジェクトについてご相談ください。